安志國，陳洪雨，陳 賀，侯志衛(wèi)，常生強(qiáng)

(石家莊科林電氣股份有限公司，河北 石家莊 050222)

新型農(nóng)網(wǎng)智能配變終端的設(shè)計(jì)

安志國，陳洪雨，陳 賀，侯志衛(wèi)，常生強(qiáng)

(石家莊科林電氣股份有限公司，河北 石家莊 050222)

農(nóng)網(wǎng)智能配變終端采集配電變壓器現(xiàn)場(chǎng)各種數(shù)據(jù)，是農(nóng)網(wǎng)智能化、自動(dòng)化中不可缺少的前端元件?；诙嗄暝谂潆娋W(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)中積累的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)開發(fā)了一款完全符合 Q/GDW615-2011農(nóng)網(wǎng)智能配變終端功能規(guī)范和技術(shù)條件的農(nóng)網(wǎng)智能配變終端。設(shè)計(jì)方案采用RS485總線和多處理器協(xié)作技術(shù)，處理器之間采用MODEBUS規(guī)約完成數(shù)據(jù)共享。獨(dú)特的母板設(shè)計(jì)，采用了軟硬件結(jié)合方式實(shí)現(xiàn)了功能插件即插即用和自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。工程人員可以根據(jù)用戶需求設(shè)計(jì)技術(shù)方案，便于系統(tǒng)后續(xù)擴(kuò)容升級(jí)，為用戶降低反復(fù)投資費(fèi)用。

配變終端；MODEBUS通信協(xié)議；Poling方式；多核處理器；即插即用；自動(dòng)識(shí)別

0 引言

為了適應(yīng)配電網(wǎng)的發(fā)展需要，滿足用戶對(duì)配電質(zhì)量的更高要求，需要對(duì)10 kV配電變壓器低壓側(cè)開關(guān)、保護(hù)、計(jì)量和無功補(bǔ)償?shù)仍O(shè)備信息進(jìn)行采集、處理、存儲(chǔ)和傳輸，并實(shí)現(xiàn)無功就地補(bǔ)償，提高用電質(zhì)量。

目前市場(chǎng)上的農(nóng)網(wǎng)配變終端采用類似電表外殼結(jié)構(gòu)，1) 該結(jié)構(gòu)只能采用上下插板，采用表尾蓋位置的端子；2) 硬件設(shè)計(jì)采用1或2片處理器，導(dǎo)致軟硬件不能完全按照功能分開，這種設(shè)計(jì)不方便工程技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)更換，只能符合固定的幾個(gè)應(yīng)用模式，也不能滿足工程人員的二次設(shè)計(jì)。

本設(shè)計(jì)采用處理器協(xié)作技術(shù)，利用多核處理器其硬件及軟件上的優(yōu)越性[1]，處理器之間串口通信方式完成數(shù)據(jù)交互，配合硬件設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)Q/GDW615-2011農(nóng)網(wǎng)智能配變終端功能規(guī)范和技術(shù)條件中要求的即插即用和帶電插拔功能。軟件可以實(shí)現(xiàn)按照功能插件分組開發(fā)，定義規(guī)約與數(shù)據(jù)格式后，團(tuán)隊(duì)內(nèi)部人員可以更好地合作，提高效率。

對(duì)于工程技術(shù)人員，可以采用搭積木式組裝終端，滿足不同用戶、不同需求的實(shí)現(xiàn)方案，即插即用[2]和帶電插拔也為技術(shù)人員的日常維護(hù)提供方便，提高了工作效率，降低了維護(hù)難度。

1 農(nóng)網(wǎng)智能配變終端的功能概述

農(nóng)網(wǎng)智能配變終端是運(yùn)行在配電變壓器現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集的智能終端，采集配電變壓器的高、低壓側(cè)電壓、電流及開關(guān)狀態(tài)數(shù)據(jù)，具有過流、過壓保護(hù)作為變壓器的后備保護(hù)，并實(shí)現(xiàn)配電變壓的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和無功補(bǔ)償就地補(bǔ)償功能，同時(shí)配變終端還具備功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)匯集存儲(chǔ)和計(jì)算能力，通過通信通道上傳到配電主站[3]。

配變終端具備豐富的通信方式，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用情況可以選擇RS485總線、電力載波、光纖、紅外數(shù)據(jù)傳輸和GPRS數(shù)據(jù)傳輸[3]；根據(jù)傳輸方向可以分為遠(yuǎn)程通信接口和本地通信接口，遠(yuǎn)程通信接口主要是傳輸配變終端采集和匯集的數(shù)據(jù)打包后分類傳輸給配變主站，本地通信接口主要是配變終端召測(cè)數(shù)據(jù)或下發(fā)控制命令[4]。

配變終端液晶面板設(shè)計(jì)維護(hù)口和USB接口[4-5]，方便技術(shù)人員的維護(hù)和歷史數(shù)據(jù)的備份。

依據(jù)囯網(wǎng)公司企標(biāo)Q/GDW615-2011要求，農(nóng)網(wǎng)配變終端根據(jù)功能配置和適用范圍分為簡(jiǎn)潔型、標(biāo)準(zhǔn)型、擴(kuò)展型三種類型[3]。

1) 簡(jiǎn)潔型。簡(jiǎn)潔型智能配變終端具備配變變壓器監(jiān)測(cè)與保護(hù)、用戶用電信息監(jiān)測(cè)、剩余電流動(dòng)作保護(hù)器監(jiān)測(cè)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、負(fù)荷管理、安全防護(hù)、互動(dòng)化管理、事件及告警處理和人機(jī)交互等主要功能。適用于100 kVA以下容量較小、負(fù)荷水平較低或負(fù)荷分散的城郊和鄉(xiāng)村的農(nóng)網(wǎng)智能配變臺(tái)區(qū)。

2) 標(biāo)準(zhǔn)型。標(biāo)準(zhǔn)型智能配變終端是在簡(jiǎn)潔型功能基礎(chǔ)上擴(kuò)展了配變計(jì)量總表監(jiān)測(cè)、動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償/三相不平衡治理等功能。適用于100 kVA及以上，負(fù)荷水平中等及較高、分布相對(duì)集中的農(nóng)網(wǎng)智能配變臺(tái)區(qū)。

3) 擴(kuò)展型。擴(kuò)展型智能配變終端是在標(biāo)準(zhǔn)型功能基礎(chǔ)上擴(kuò)展了諧波治理、資產(chǎn)管理、視頻監(jiān)視和環(huán)境監(jiān)測(cè)功能。適用于負(fù)荷水平高、電能質(zhì)量要求高、用電負(fù)荷對(duì)電能質(zhì)量有較大影響的農(nóng)網(wǎng)智能配變臺(tái)區(qū)。

本文設(shè)計(jì)的農(nóng)網(wǎng)配變終端采用統(tǒng)一硬件平臺(tái)，完成簡(jiǎn)潔型和標(biāo)準(zhǔn)型兩種類型的設(shè)計(jì)。

2 配變終端的硬件設(shè)計(jì)

農(nóng)網(wǎng)智能配變終端采用多處理器技術(shù)設(shè)計(jì)，每一種功能插件板采用獨(dú)立的處理器，數(shù)據(jù)分布處理、集中存儲(chǔ)和上送主站，降低了對(duì)處理器性能要求和材料成本，根據(jù)項(xiàng)目需要配置功能插件，功能插件之間采用未隔離的RS485總線技術(shù)連接形成智能配變終端。

所有公共信號(hào)、電源及控制信號(hào)通過母板連接，插件與母板采用歐式PCB連接器連接，母板上的每一個(gè)位置通過硬件設(shè)計(jì)通信地址，配合功能插件板上的地址組合在一起，形成綜合地址信息，核心插件通過綜合地址信息數(shù)據(jù)，可判斷每個(gè)插件的功能和類型，方便實(shí)現(xiàn)即插即用，其中電源插件、MMI插件、核心插件為必配插件，所以不可更換位置，其他插件可以根據(jù)裝配、布線需要調(diào)整位置。為工程設(shè)計(jì)人員按照不同規(guī)模、不同需求的用戶設(shè)計(jì)應(yīng)用方案。圖1為農(nóng)網(wǎng)智能配變終端原理圖。

圖1 農(nóng)網(wǎng)智能配變終端原理圖Fig. 1 Schematic diagram of rural electric smart distribution terminal

電源插件為整個(gè)終端提供工作電源，由輸入的三相四線電壓信號(hào)獲取電能轉(zhuǎn)換為各個(gè)插件需要的工作電源。電源插件設(shè)計(jì)有載波抄表功能接口[3]，為低壓載波抄表提供通信信道，完成所配置的載波電表數(shù)據(jù)召測(cè)。

MMI插件為人機(jī)交互處理插件，負(fù)責(zé)完成面板上八個(gè)按鍵的采集處理，核心插件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，不同人機(jī)界面數(shù)據(jù)更新，達(dá)到與技術(shù)人員很好的人機(jī)交互，協(xié)作完成數(shù)據(jù)的查詢、參數(shù)的配置等功能。

核心插件完成終端所有插件采集數(shù)據(jù)的匯集和對(duì)上、下規(guī)約處理，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)等功能，該處理器要求較高，采用嵌入式 Linux操作系統(tǒng)[4]，外圍集成以太網(wǎng)口、RS485口、RS232口、USB接口、維護(hù)口等外設(shè)，硬件集成256 kbit的鐵電存儲(chǔ)器和64 GB FLASH，鐵電存儲(chǔ)器用來保存系統(tǒng)參數(shù)，而FLASH存儲(chǔ)各種采集的數(shù)據(jù)。

配變終端即可完成傳統(tǒng)的九區(qū)圖法[6]，也可根據(jù)電壓、電壓/無功功率、電壓/功率因數(shù)作為判據(jù)[6]完成投切電容器實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償，本設(shè)計(jì)支持兩種控制方式：1) 選擇普通的復(fù)合開關(guān)作為電容器的投切開關(guān)，復(fù)合開關(guān)的控制采用電流保持的驅(qū)動(dòng)方式，O插件板就是針對(duì)這種模式開發(fā)的接口板，圖2為控制接口原理圖，設(shè)計(jì)自鎖輸出(采用鎖存器)和狀態(tài)回采(采用總線驅(qū)動(dòng)器)功能，解決處理器復(fù)位復(fù)合開關(guān)的關(guān)斷，狀態(tài)回采作為狀態(tài)量按照規(guī)約回傳給核心插件；2) 采用智能型復(fù)合開關(guān)，該復(fù)合開關(guān)具有RS485接口，通過該接口接受閉合、斷開控制命令，圖3為RS485總線接線圖?；谏鲜鰞煞N方案均可完成 9種無功控制理論[7-8]在靜止無功投切電容器[5]補(bǔ)償應(yīng)用方案。

圖2 控制接口原理圖Fig. 2 Schematic diagram of control interface

圖3 RS485總線接線圖Fig. 3 RS485 bus connection diagram

直流采集DC插件板，設(shè)計(jì)有4路/板和8路/板兩種類型的插板，采集溫、濕度變送器、瓦斯?jié)舛茸兯推鞯妮敵鲂盘?hào)，根據(jù)工程和項(xiàng)目需要選配插板，滿足實(shí)際需求。

圖4為DI輸入原理圖，DI插件板設(shè)計(jì)10路/板，2個(gè)DI插件硬件完全一樣，配置2個(gè)DI插件，必須在整機(jī)裝配時(shí)，確保硬件信息跳線不一致。

圖4 DI輸入原理圖Fig. 4 Schematic diagram of DI input

圖5 為DO插件控制電路原理圖，單個(gè)插件板設(shè)計(jì)為6路/板，兩個(gè)DO插件硬件設(shè)計(jì)完全一樣，配置2個(gè)DO插件，必須在整機(jī)裝配時(shí)，確保硬件信息跳線不一致。根據(jù)實(shí)際需要配置過流、過壓保護(hù)需要快速出口要求時(shí)，選擇安裝Kc1跳線設(shè)置，滿足電力系統(tǒng)對(duì)快速動(dòng)作的要求。

圖 5 DO電路原理圖Fig. 5 Schematic diagram of DO output

配變終端設(shè)計(jì)為3個(gè)模擬插件，其中插件1主要采集3個(gè)電壓和3個(gè)電流信號(hào)，模擬插件2、3采用同一個(gè)電路板，全部為電流互感器，如果需要配置2個(gè)電流插件，必須在整機(jī)裝配時(shí)，確保硬件信息跳線不一致。插件配置原則：只需要1個(gè)插件，必須配置插件1(即插件1為必配插件)，其他插件根據(jù)需要選擇配置。

3 軟件設(shè)計(jì)及調(diào)試

配變終端采用多處理器技術(shù)，每個(gè)功能插件板均采用獨(dú)立的處理器，軟件設(shè)計(jì)比較繁瑣。本設(shè)計(jì)采用poling規(guī)約和RS485總線技術(shù)，核心插件做主設(shè)備，功能插件做從設(shè)備；MMI插件與核心插件之間，MMI插件做主設(shè)備，核心板做從設(shè)備，實(shí)現(xiàn)所有數(shù)據(jù)交互功能。

圖6為核心插件初始化流程圖，終端上電復(fù)位后，首先初始化處理器外設(shè)，然后從存儲(chǔ)器中讀取配置參數(shù)，與實(shí)際硬件配置進(jìn)行對(duì)比后初始化數(shù)據(jù)庫。最后初始化外部串口，準(zhǔn)備接收對(duì)上、對(duì)下的數(shù)據(jù)。

圖6 核心插件初始化流程圖Fig. 6 Initialization flow chart of core-board hardware equipment

圖7為核心插件召測(cè)流程圖，核心插件根據(jù)配置參數(shù)依次召測(cè)各個(gè)功能插件數(shù)據(jù)、對(duì)下串口配置召測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)以及對(duì)上監(jiān)控主站數(shù)據(jù)，串口處理采用自適應(yīng)策略方式[9]，提高串型總線利用率，完成各間隔數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)任務(wù)。

圖7 核心插件召測(cè)流程圖Fig. 7 Flow chart of core-board called peripheral

模擬插件采用交流采樣技術(shù)和快速傅立葉算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)交流參數(shù)的采集計(jì)算，為終端提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

圖8為功能插件處理流程，功能插件可以從母板讀取插件的位置地址，該地址在同一終端上唯一，所以同一功能插件插在不同位置，地址是不同的，該地址占用4個(gè)bit位，采用編碼加一的方式，即通信地址為1~16。

功能插件內(nèi)部程序區(qū)分配了固定的功能代碼，同樣也占用4個(gè)bit位，與上述的4個(gè)地址bit位，中間預(yù)留8 bit保留位備以后擴(kuò)展使用，組成16位的綜合信息數(shù)據(jù)。該綜合信息數(shù)據(jù)按照遙測(cè)數(shù)據(jù)格式傳送給核心插件，核心插件作為插件信息數(shù)據(jù)處理，結(jié)合配置參數(shù)，處理、存儲(chǔ)功能插件數(shù)據(jù)。

其他功能插件對(duì)處理器的要求較低，基于配變終端運(yùn)行環(huán)境惡劣，為避免電磁干擾等影響性能或?qū)е略O(shè)備異常，筆者認(rèn)為處理器不應(yīng)采用低功耗模式，避免降低系統(tǒng)的可靠性，但是為了降低功耗可以采用降低主頻的方式。

WiFi接口為了與小區(qū)智能化用電和手持配置工具提供通信通道[3]，為了更好地為用戶及技術(shù)人員服務(wù)，根據(jù)工程實(shí)際需要選擇配置。

圖8 功能插件流程圖Fig. 8 Flow chart of function module

4 結(jié)語

農(nóng)網(wǎng)智能配變終端設(shè)計(jì)采用多處理器方式，采用數(shù)據(jù)分布處理后，匯總到核心處理器，產(chǎn)品開發(fā)人員工作量大，設(shè)計(jì)復(fù)雜。但是，各個(gè)插板的硬件獨(dú)立，軟件分散開發(fā)，升級(jí)管理方便，簡(jiǎn)化了產(chǎn)品生產(chǎn)調(diào)試；對(duì)于工程技術(shù)人員，可以輕松方便地二次設(shè)計(jì)滿足不同用戶、不同需求的應(yīng)用要求，間接地為產(chǎn)品供應(yīng)商降低了成本。

因?yàn)椴捎昧硕嗵幚砥髟O(shè)計(jì)，降低了各個(gè)處理器的性能和要求，所以總的材料成本反而更低，本產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，從根本上達(dá)到了最大化的滿足用戶需求，最小化的方案成本。

[1] 刁利軍, 董侃, 趙雷廷, 等. 基于雙DSP-FPGA架構(gòu)的城軌列車電力牽引控制系統(tǒng)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2014, 39(1): 174-180. DIAO Lijun, DONG Kan, ZHAO Leiting, et al. Dual DSPs-FPGA structured traction control system for urban rail transit vehicle[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2014, 39(1): 174-180.

[2] 韓國政, 徐丙垠, 索南加樂, 等. 配電終端自動(dòng)發(fā)現(xiàn)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2012, 36(18): 82-85. HAN Guozheng, XU Bingyin, SUONAN Jiale, et al.Implementation of automatic discovery technology for distribution terminal[J]. Automation of Electric Power Systems, 2012, 36(18): 82-85.

[3] 中國電力科學(xué)研究院. Q/GDW615-2011農(nóng)網(wǎng)智能配變終端功能規(guī)范和技術(shù)條件[S]. 北京: 中國電力出版社, 2011. China Electric Power Research Institute. Q/GDW615-2011 functional specification & technical condition for rural intelligent distribution transformer terminal[S]. Beijing: China Electric Power Press, 2011.

[4] 李玉凌, 徐斌, 孫軍平, 等. 基于雙核嵌入式微處理器的智能配變終端研制[J]. 電力建設(shè), 2011, 32(12): 9-12. LI Yuling, XU Bin, SUN Junping, et al. Development of rural intelligent distribution transformer terminal based on dual-core embedded microprocessor[J]. Electric Power Construction, 2011, 32(12): 9-12.

[5] 劉庭磊, 王韶, 張知, 等. 采用負(fù)荷電量計(jì)算低壓配電臺(tái)區(qū)理論線損的牛拉法[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2015, 43(19): 143-148. LIU Tinglei, WANG Shao, ZHANG Zhi, et al. Newton-Raphson method for theoretical line loss calculation of low-voltage distribution transformer district by using the load electrical energy[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(19): 143-148.

[6] 張之昊, 武建文, 李平, 等. 應(yīng)用于農(nóng)村配電網(wǎng)的測(cè)量點(diǎn)與補(bǔ)償點(diǎn)分離式無功補(bǔ)償設(shè)備及其優(yōu)化配置[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2015, 30(3): 205-213. ZHANG Zhihao, WU Jianwen, LI Ping, et al. Reactive power compensation and its optimal allocation with measurement part and compensation part separated in rural power grid[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(3): 205-213.

[7] 付偉, 劉天琪, 李興源, 等. 靜止無功補(bǔ)償器運(yùn)行特性分析和控制方法綜述[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2014, 42(22): 147-154. FU Wei, LIU Tianqi, LI Xingyuan, et al. Analysis of operating characteristic and survey of control methods used in static var compensator[J]. Power System Protection and Control, 2014, 42(22): 147-154.

[8] 羅書克, 張?jiān)? 低壓配用電系統(tǒng)兩級(jí)無功補(bǔ)償控制研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2014, 42(16): 103-107. LUO Shuke, ZHANG Yuanmin. Study of two-stage VAR compensation in low voltage distribution system[J]. Power System Protection and Control, 2014, 42(16): 103-107.

[9] 張良, 劉曉勝, 戚佳金, 等. 一種低壓電力線通信改進(jìn)分級(jí)蟻群路由算法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2014, 29(2): 318-324. ZHANG Liang, LIU Xiaosheng, QI Jiajin, et al. Study of improved hierarchical ant colony routing algorithm for low-voltage power line communication[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2014, 29(2): 318-324.

(編輯 魏小麗)

Design of the rural intelligence distribution transform terminal

AN Zhiguo, CHEN Hongyu, CHEN He, HOU Zhiwei, CHANG Shengqiang
(Kelin Electric Co., Ltd., Shijiazhuang 050222, China)

Rural intelligent distribution transformer terminal collects transformer state data and other intelligent terminals, such as watt-hour meter, collector, etc., which is the front element of the distribution automation system for rural power grid intelligent and automation. This paper summarizes the technical experience in the distribution automation system accumulated over the years. It designs and develops a rural network intelligent distribution terminal fully consistent with Q/GDW615-2011 functional specification and technical conditions. The design scheme adopts RS485 bus and multi processor collaboration technology. MODEBUS code is applied for data sharing between multi processors. Motherboard adopts special design method. The software and hardware are combined to realize automatic identification technology and plug and play technology. Engineering staff can design technical solutions according to user’s need, which is convenient for subsequent expansion and upgrade of the system, and to reduce repeated investment cost for users.

distribution transformer detection terminal; MODEBUS communication protocol; Poling ways; multiprocessor; plug and play; automatic identification

10.7667/PSPC150057

：2015-10-26

安志國(1976-)，男，本科，高級(jí)工程師，主要從事電力系統(tǒng)配電自動(dòng)化產(chǎn)品的開發(fā)與研究工作；E-mail: sjz1093@163.com

陳洪雨(1975-)，男，本科，高級(jí)工程師，主要從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化主站系統(tǒng)的開發(fā)與研究工作；

陳 賀(1976-)，男，碩士研究生，高級(jí)工程師，主要從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化產(chǎn)品的開發(fā)與研究工作。